小型LNG船貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

孫險峰 唐 淼

（1.中海油能源發(fā)展有限公司管道工程分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 前言

目前，隨著天然氣的廣泛應(yīng)用，為適應(yīng)新型的運(yùn)輸要求及市場需求，小型LNG船這一概念應(yīng)運(yùn)而生。小型LNG運(yùn)輸船具有營運(yùn)周期短、中轉(zhuǎn)頻繁、裝載靈活等特點(diǎn)。其吃水淺，排水量較小，能夠適應(yīng)內(nèi)河航道水位、橋梁和碼頭限制，與大型LNG船有著較大的區(qū)別［1］。

上海船舶研究設(shè)計院為適應(yīng)中國LNG市場，提供便捷的LNG運(yùn)輸而自主研發(fā)設(shè)計了16000 m3LNG船型。如果該船型投入生產(chǎn)運(yùn)營，將把我國沿海、沿江各重要城市與天然氣輸送終端緊密聯(lián)系起來，為緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的能源缺口提供有力支持。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 船舶主尺度

1.2 布置特點(diǎn)

該船總布置圖如圖1所示。

1）該船為適應(yīng)貨艙區(qū)域獨(dú)立罐體的存放空間，使得船體貨艙區(qū)域空間利用率達(dá)到最佳效果，采用了凸形甲板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。凸形甲板的使用，有利于減輕船體重量。更為重要的是，在實(shí)船建造時，凸形甲板將有利于貨艙區(qū)域罐體的吊入。

2）凸形甲板參與總縱強(qiáng)度，但由于液罐氣室及管路布置的特點(diǎn)要求，需要在凸形甲板的中縱剖面處進(jìn)行開口處理，因而開口處的結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)。同時，對于凸形開口處的強(qiáng)度校核也是有限元分析的主要關(guān)注點(diǎn)之一。

3）全船布置兩個貨艙。由于LNG液罐通過鞍座與船體結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，船體受到的貨物載荷就是通過鞍座傳遞來的，因而鞍座本身以及鞍座周圍的船體結(jié)構(gòu)都是貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)內(nèi)容之一，同時也是有限元分析的核心內(nèi)容。

2 艙段有限元分析

本文有限元建模與計算過程均是根據(jù)中國船級社 （以下簡稱CCS）《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范（2005）》與《油船結(jié)構(gòu)直接計算分析》的要求進(jìn)行的。

2.1 建模簡介

計算模型沿船長縱向從35號肋位 （FR35）到169號肋位（FR169），沿船寬方向從左舷到右舷，沿船垂向從船底向上至凸形甲板。

有限元模型包括了船體貨艙區(qū)域的主要構(gòu)件，如甲板結(jié)構(gòu)、底板結(jié)構(gòu)、外板結(jié)構(gòu)、內(nèi)殼板結(jié)構(gòu)、橫向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)、縱向桁材結(jié)構(gòu)和艙壁結(jié)構(gòu)等。計算模型的甲板板、船底板、內(nèi)外殼板、艙壁板、桁材腹板及強(qiáng)框腹板等構(gòu)件模擬為4節(jié)點(diǎn)或3節(jié)點(diǎn)板單元，而甲板縱骨、底板縱骨、內(nèi)外殼板縱骨、艙壁扶強(qiáng)材、桁材面板以及橫梁面板等次要構(gòu)件均模擬為2節(jié)點(diǎn)梁單元。

有限元模型建立在XYZ右手坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于船底35號肋位的中縱剖面處，X軸指向船首，Y軸沿船寬方向指向左舷，Z軸由船底垂直指向凸形甲板。有限元網(wǎng)格按照肋距和縱骨間距尺度劃分。有限元模型如圖3所示。

艙段模型邊界分別為FR35與FR169，在這兩處橫剖面內(nèi)，取剖面形心為獨(dú)立點(diǎn)，關(guān)聯(lián)剖面內(nèi)各點(diǎn)建立MPC約束，并且將FR35剖面內(nèi)的獨(dú)立點(diǎn)約束［δx，δy，δz，θx，θz］五個方向的自由度，將 FR169 剖面內(nèi)的獨(dú)立點(diǎn)約束［δy，δz，θx，θz］四個方向的自由度。

2.2 計算載荷

艙段計算載荷主要由舷側(cè)水壓力、端部受力、壓載水壓力和貨物壓力四部分組成。舷側(cè)水壓力可參考《油船結(jié)構(gòu)直接計算分析》，此處不再贅述。壓載水壓力可根據(jù)裝載手冊施加到邊壓載艙，而端部受力與貨物壓力則需根據(jù)該船特點(diǎn)予以確定。

端部受力主要分為兩部分：剪力與端面彎矩。剪力分為靜水剪力Ns和波浪剪力Nw；彎矩則分為靜水彎矩Ms、波浪彎矩Mw和附加彎矩Mr三部分。該船只設(shè)2個貨艙，因而不具備三艙段分析的條件。因而對于附加彎矩的計算，需要根據(jù)船體梁理論，配合裝載工況及其彎矩分配情況進(jìn)行。

根據(jù)CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》的要求，在進(jìn)行艙段分析計算時，需要將液罐以及液貨的載荷按照正弦（余弦）函數(shù)的分布形式（如圖 4 所示）加載到鞍座上［2］。

根據(jù)液罐設(shè)計，該船鞍座對液罐的包角為150°。

式中：M——液罐及液貨質(zhì)量，kg；

ax，ay，az——船體運(yùn)動沿x，y，z方向的加速度，m/s2

2.3 計算工況

本文選擇兩種工況進(jìn)行計算：

1）壓載工況（LC01）。根據(jù)裝載手冊，在此工況下，船體吃水5.188 m，壓載水重量4940 t，分布如圖5所示：

同時，液罐載荷如表1所示。

表1 LC01液罐載荷

2）滿載離港工況（LC03）。根據(jù)裝載手冊，在此工況下，船體吃水5.945 m，壓載水重量73 t，分布如圖6所示。同時，液罐與液貨載荷如表2所示。

2.4 計算結(jié)果

LC01工況下，船體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如表3和表4所示。

LC03工況下，船體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如表5、表6所示。

根據(jù)CCS《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》以及《油船結(jié)構(gòu)直接計算分析》等有關(guān)規(guī)定，貨艙區(qū)域主要結(jié)構(gòu)的許用正應(yīng)力σ、許用剪切應(yīng)力τ和許用相當(dāng)應(yīng)力σe如下：

表2 LC03液罐與液貨載荷

表3 LC01甲板、舷側(cè)外板以及船底板結(jié)構(gòu)板單元受力情況

表4 LC01內(nèi)殼板、強(qiáng)框及縱桁結(jié)構(gòu)板單元受力情況

表5 LC03甲板、舷側(cè)外板以及船底板結(jié)構(gòu)板單元受力情況

表6 LC03內(nèi)殼板、強(qiáng)框及縱桁結(jié)構(gòu)板單元受力情況

從計算結(jié)果看，除去應(yīng)力集中部分以及液貨艙端部區(qū)域，主要考察區(qū)域結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值均不超過許用應(yīng)力范圍，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范要求。對于凸形甲板開口以及鞍座區(qū)域的應(yīng)力分析結(jié)果，可參見圖7與圖8。

3 結(jié)語

本文按照16000 m3LNG船兩個液貨艙的布置特點(diǎn)，根據(jù)正余弦函數(shù)分布形式模擬液罐載荷對液貨艙區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度分析。計算結(jié)果表明，用這種方法來評估小型LNG船液貨艙區(qū)域強(qiáng)度是可行并且可靠的。本文分析計算的結(jié)果，對于小型LNG船液艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是對于凸形甲板和鞍座處的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有一定的參考價值。

［1］丁玲.中小型LNG船C型獨(dú)立液罐設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［2］肖文勇.3200 m3LPG運(yùn)輸船鞍座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算與分析［J］.船舶工程，2008（4）：20-23.